表面化學(xué)和膠體化學(xué)

表面化學(xué)和膠體化學(xué)第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)表面化學(xué)

1.1界面和表面密切接觸的兩相之間的過渡區(qū)稱為界面，如果其中一相為氣體，這種界面常稱為表面。第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

S（總表面積）

S。=———————

V（總體積）

分散度：即物質(zhì)的分散程度，分散質(zhì)粒子越小，分散程度越大。

比表面：單位體積物質(zhì)的表面積，用符號S。表示。

1.2分散度與比表面第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四表面現(xiàn)象水滴為什么是圓形而不是方形第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四Question：小液珠為什么總是球狀的？？第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四表面現(xiàn)象它們?yōu)槭裁纯梢云谒嫔系?頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四水ps水在毛細(xì)管中為什么會上升第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四相界面與相內(nèi)的分子受力情況

1.3表面能和表面張力第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

表面能

液體或固體表面粒子比內(nèi)部粒子能量高，多出的這部分能量稱為體系的表面能。第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

一克水分散成半徑1

×10-9m的小水滴，需要做功220J，增加的能量可將這一克水的溫度升高50℃。同一體系，其分散度越大，其表面能越大。第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四表面能表面張力σ:恒溫恒壓下增加單位表面

積所引起的系統(tǒng)能量增量σ:與表面相切，垂直作用于單位長度邊界線上的力。第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

潤濕和潤濕角

●

潤濕與粘附

潤濕是固液界面的重要行為。

機械潤滑、注水采油、油漆涂

布、金屬焊接、搪瓷坯釉、陶

瓷/金屬的封接等工藝和理論

都與潤濕過程有關(guān)。

潤濕的熱力學(xué)定義：固體與液

體接觸后能使體系的吉布斯自

由能降低，稱為潤濕。

潤濕形式：

第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四潤濕角P(l/g)(s/l)(s/g)ONMO習(xí)慣上<90—潤濕；>90—不潤濕；=0—完全潤濕；=180—完全不潤濕；第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四1.4潤濕液體粘附在固體表面的過程稱為潤濕。潤濕過程固-液界面和氣-液界面取代固-氣界面的過程。

當(dāng)σs-l≤σs-g

時，發(fā)生浸沒潤濕；

σs-l+σl-g≤σs-g

時，液體可以在固體表面完全鋪展；

σs-l≤σs-g+σl-g時，液體可以在固體表面發(fā)生粘附潤濕。第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

附加壓力的氣泡模型

1.5彎曲液面下的附加壓力

第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四hrR

——液體表面張力； B——液體體積質(zhì)量；

g——重力加速度。

毛細(xì)管現(xiàn)象l-s第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四2

固體表面的吸附作用

吸附和解吸的關(guān)系：動態(tài)平衡A分子吸附：B離子吸附：①離子選擇性吸附②離子交換吸附：第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

As2S3選擇吸附HS-而帶負(fù)電荷。

2H3AsO3+3H2S=As2S3+6H2OH2S發(fā)生電離：制備As2S3溶膠第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四如：去離子水的制備（陰、陽離子交換樹脂）2H++2OH-＝H2OAl3+>Ca2+>Cs+>Rb+>K+>Na+>Li+I->Br-

>Cl-離子交換能力：第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)膠體化學(xué)1分散系統(tǒng)

把一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中就構(gòu)成分散系統(tǒng)。被分散的物質(zhì)稱為分散相，另一種物質(zhì)稱為分散質(zhì)。第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

A

特有的分散程度

粒子的大小在10-9~10-7m之間，因而擴(kuò)散較慢，不能透過半透膜，滲透壓低但有較強的動力穩(wěn)定性和乳光現(xiàn)象。

膠體的特性

B

多相不均勻性

C

熱力學(xué)不穩(wěn)定性

第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

膠體是一種高度分散的多相體系，具有很大的比表面，因此表面能很大。能量越高，體系越不穩(wěn)定，因此，表現(xiàn)出一系列特殊的表面現(xiàn)象：如水滴會自動呈球形；放置較長時間，溶液中的晶粒會慢慢長大；液體對固體的潤濕及固體表面的吸附。

均使界面能量降低。第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四2

溶膠的性質(zhì)

（1）光學(xué)性質(zhì)（丁鐸爾效應(yīng)）

光學(xué)原理：強光照到分散質(zhì)粒子上，若粒子直徑大于入射光波長，則發(fā)生反射或折射。若粒子直徑略小于入射光波長時，則發(fā)生散射。散射光稱為乳光。Fe(OH)3膠體丁達(dá)爾效應(yīng)示意圖光源凸透鏡光錐第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四（2）動力學(xué)性質(zhì)（布朗運動）在超顯微鏡下觀察膠體溶液，可以看到膠體粒子的發(fā)光點在介質(zhì)中間不停地作不規(guī)則的運動，稱布朗運動。溶膠中分散質(zhì)粒子直徑：1～100nm可見光波長：400～700nm在真溶液中，溶質(zhì)顆粒太?。?lt;10-9m）,光的散射極弱，看不到丁達(dá)爾效應(yīng)。陽光從狹縫射進(jìn)室內(nèi)形成光柱也是丁達(dá)爾效應(yīng)。第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四布朗運動產(chǎn)生的原因：

分散質(zhì)粒子本身處于不斷的熱運動中。分散劑分子對分散質(zhì)粒子的不斷撞擊。

液體分子對溶膠粒子的撞擊

粗分散系第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

膠體粒子的布朗運動必然導(dǎo)致溶膠具有擴(kuò)散作用，一定程度上可以抵消膠粒受重力作用而引起的沉降，使溶膠具有一定的穩(wěn)定性，稱為溶膠的動力學(xué)穩(wěn)定性。第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四（3）溶膠的電學(xué)性質(zhì)

Ⅰ電動現(xiàn)象：在外電場的作用下，分散相和分散介質(zhì)發(fā)生相對位移的現(xiàn)象稱為膠體的電動現(xiàn)象。電動現(xiàn)象分為電泳和電滲。第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四電泳管中:

Fe(OH)3溶膠向負(fù)極移動，說明Fe(OH)3溶膠帶正電荷。As2S3向正極移動，說明As2S3溶膠帶負(fù)電荷。

電泳管示意圖直流電A電泳：在電場中，分散質(zhì)粒子作定向移動。第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

膠體微粒的移動，說明膠粒是帶電的，且有正負(fù)之分。由于膠體溶液是電中性的，所以，膠粒帶正電荷（或負(fù)電荷），則分散介質(zhì)必帶負(fù)電荷（或正電荷）。電泳是介質(zhì)不動，膠粒運動。第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

▲根據(jù)不同蛋白質(zhì)分子、核酸分子電泳速度的不同對它們進(jìn)行分離，已成為生物化學(xué)中的一項重要實驗技術(shù)。

▲利用電泳的方法使橡膠的乳狀液凝結(jié)而濃縮。生產(chǎn)和科研中的某些應(yīng)用第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

B電滲：

膠粒設(shè)法固定不動，分散介質(zhì)在電場中作定向移動的現(xiàn)象稱為電滲。正極+負(fù)極

—多孔性固體電滲管示意圖工程上利用電滲使泥土脫水。第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

Ⅱ膠體粒子帶電的主要原因

①電離作用

②吸附作用

固體吸附劑常常是優(yōu)先選擇吸附固體晶格上的同名離子或化學(xué)成分相近、結(jié)晶結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)的離子。第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四3膠團(tuán)結(jié)構(gòu)

制備AgI過程中，若KI過量，則膠核優(yōu)先吸附I-而帶負(fù)電。

膠核膠粒膠團(tuán)第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四[（AgI)m?nI-?(n-x)K+]x-

?xK+

膠核電勢離子反離子反離子吸附層擴(kuò)散層

膠粒膠團(tuán)膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式：第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

例

AgNO3+

KI→KNO3+AgI↓AgNO3過量

膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式：

[(AgI)m·nAg+·

(n-x)NO3–]x+·

x

NO3–

|______________________________||_______________________________________|膠核膠粒膠團(tuán)

膠團(tuán)的圖示式第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四AgI膠團(tuán)結(jié)構(gòu)第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

Fe(OH)3溶膠：As2S3溶膠：硅酸溶膠：膠粒帶電，膠團(tuán)不帶電（電中性）{[Fe(OH)3]m?nFeO+?(n-x)Cl-}x+?xCl-[（As2S3）m?nHS-?(n-x)H+]x-?xH+[（SiO2)m?nHSiO3-?(n-x)H+]x-?xH+第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+[Fe(OH)3]mFe(OH)3膠核吸附電勢離子的示意圖第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

如制備AgCl溶膠：AgNO3+KCl=AgCl+KNO3

溶液中存在的Ag+和Cl-都是膠體的組成離子，它們都有可能被吸附。制備溶膠的條件不同，可使膠體粒子帶不同的電荷。注意第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四若制備過程中：

AgNO3過量，溶液中有Ag+、NO3-、K+，膠核AgCl優(yōu)先吸附Ag+而帶正電荷。Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+AgCl第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四若KCl過量時，溶液中有過量的K+、Cl-、NO3-

，溶膠粒子優(yōu)先吸附Cl-而帶負(fù)電荷。Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--

AgCl若是等物質(zhì)的量進(jìn)行反應(yīng)，則不能形成溶膠。第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四例如：Fe(OH)3膠體粒子很容易吸附與它結(jié)構(gòu)相似的FeO+離子，而帶正電荷。

[Fe(OH)3]m·nFeO+FeCl3+3H2O=Fe(OH)3+3HClFeCl3+2H2O=Fe(OH)2Cl+2HClFe(OH)2Cl=FeO++Cl-+H2O第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四4溶膠的穩(wěn)定性

①

動力學(xué)穩(wěn)定性：布朗運動產(chǎn)生的擴(kuò)散作用，克服重力場的影響而不下沉。

②電學(xué)性質(zhì)：膠粒表面同種電荷相斥，阻止顆粒相互碰撞聚結(jié)成大顆粒。

③溶劑化作用：膠粒中的吸附離子和反離子都是水化離子，膠粒周圍形成了一層牢固的水化薄膜，具一定的彈性，阻止膠粒相互接觸，增強了穩(wěn)定性。第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四5溶膠的聚沉

溶膠的穩(wěn)定性是相對的、暫時的、有條件的，一旦穩(wěn)定條件被破壞，溶膠中的分散相粒子就會相互聚結(jié)變大而發(fā)生沉淀，這種現(xiàn)象稱為溶膠的聚沉。溶膠的聚沉是不可逆的。

不穩(wěn)定性：膠粒表面積大，表面能大，體系可自動聚集降低表面能，是熱力學(xué)的不穩(wěn)定體系。第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

原因

▲增加分散介質(zhì)中的反電荷離子濃度，擴(kuò)散層中一些反離子被擠入吸附層內(nèi)，中和了膠粒的部分電荷，膠粒間排斥力變小，當(dāng)膠粒碰撞時易合并成大顆粒而下沉。

▲

電解質(zhì)離子的水化作用，奪取了膠粒水化膜的水分子，使膠粒水化膜變薄，有利于聚沉。促使溶膠聚沉的方法有：

①加入電解質(zhì)；（研究最多應(yīng)用最廣）

第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

聚沉值：一定量的溶膠在一定時間內(nèi)明顯聚沉所需電解質(zhì)的最低濃度（mmol·L-1

）（用于比較各種電解質(zhì)的聚沉能力）。聚沉值越小，聚沉能力越大。

反離子的價數(shù)越高，聚沉能力越強。通常:一價反離子聚沉值：25~150

二價反離子聚沉值：0.5~2

三價反離子聚沉值：0.01~0.1叔采-哈迪規(guī)則

第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

例

將12mL0.10mol·L－1KI溶液和100mL0.005mol·L－1的AgNO3溶液混合以制備AgI溶膠，寫出膠團(tuán)結(jié)構(gòu)式，問MgCl2與K3[Fe(CN)6]這兩種電解質(zhì)對該溶膠的聚沉值哪個大？

第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四解：∵n(KI)=12×10-3×0.10=1.2×10-3mol

n(AgNO3)=100×10-3×0.005=0.5×10-3molKI過量，形成AgI負(fù)性溶膠

∴膠團(tuán)結(jié)構(gòu)：[(AgI)m·nI-·（n-x）K+]x-

·xK+

聚沉值：MgCl2＜K3[Fe(CN)6]第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

練習(xí)由10mL0.05mol·L-1的KCl溶液與100mL0.002mol·L-1的AgNO3溶液混合制得的AgCl溶膠，若分別用下列電解質(zhì)使其聚沉，則聚沉值的大小次序為（）a．AlCl3＜ZnSO4＜KClb．KCl＜ZnSO4＜AlCl3c．ZnSO4＜KCl＜AlCl3d．KCl＜AlCl3＜ZnSO4a第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四怎樣由豆?jié){制成豆腐？

豆?jié){是蛋白質(zhì)的負(fù)電膠體，在豆?jié){中加鹵水，由于鹵水中含Na+、Ca2+、Mg2+等離子，破壞了蛋白質(zhì)負(fù)電膠體的穩(wěn)定性，從而使其發(fā)生聚沉形成豆腐。第50頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

②溶膠的相互聚沉（兩種電性相反的溶膠混合，發(fā)生聚沉）原因：▲不同電性的膠粒相互吸引，電荷中和?！鴥煞N膠體中的穩(wěn)定劑相互發(fā)生反應(yīng)，破壞了膠體的穩(wěn)定性。

注意：只有其中一種溶膠的總電荷量恰能中和另一種溶膠的總電荷量才能發(fā)生完全聚沉，否則部分聚沉，甚至不聚沉。第51頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四為何明礬能凈化水？明礬[KAl(SO4)2·12H2O]在水中水解產(chǎn)生帶正電的Al(OH)3膠體及沉淀，而水中的污物主要是帶負(fù)電的粘土及SiO2等膠體，二者發(fā)生相互聚沉，使膠體污物下沉，另外由于Al(OH)3絮狀沉淀有吸附作用，兩種作用結(jié)合就能將污物清除，達(dá)到凈化水的目的。第52頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

③高分子的敏化作用更穩(wěn)定易聚沉a高分子物質(zhì)帶電，中和膠粒表面的電荷，降低斥力，發(fā)生聚沉。

b高分子呈長鏈形，可同時吸附在許多膠粒上，使膠粒聯(lián)在一起成較大的聚集體而聚沉。

c可脫去膠粒周圍的水化膜，使其易聚沉。（敏化作用）（保護(hù)作用）加入高分子

高分子物質(zhì)附在膠粒表面，包住膠粒使其不易凝結(jié)。第53頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

健康人血液中的CaCO3、MgCO3、Ca3(PO4)2等難溶鹽都是以溶膠的狀態(tài)存在并被血清蛋白等高分子化合物保護(hù)著，若保護(hù)物質(zhì)減少，就可能使這些溶膠在身體的某些部分聚沉下來成為結(jié)石。人體中結(jié)石如何產(chǎn)生

？